Dynamisches Menschmodell EMMA: Software zur Simulation menschlicher Bewegungen

Muskelstränge oder Muskel-Drehmoment-Generatoren

Zur Auswahl stehen zwei Modellierungsansätze: Zum einen lassen sich Muskeln als einzelne Stränge darstellen, die an mehreren Punkten mit Knochensegmenten verbunden sind. Jeder Strang repräsentiert dabei die Eigenschaften eines realen Muskels. Zum anderen können sogenannte Muskel-Drehmoment-Generatoren (MTGs) verwendet werden. Sie bündeln die Wirkung aller Muskelabschnitte, die ein Gelenk in eine bestimmte Richtung bewegen. Dieser Ansatz reduziert die Modellkomplexität deutlich, ohne dabei auf eine realitätsnahe Abbildung zu verzichten – lediglich biartikuläre Muskeln, also solche, die über zwei Gelenke wirken, werden dabei noch nicht berücksichtigt.

Dynamik der Muskelaktivierung inklusive

EMMA berücksichtigt auch die zeitliche Dynamik der Muskelaktivierung: Die Software simuliert, wie sich die Aktivierung innerhalb kürzester Zeit verändern kann und approximiert damit den Vorgang, in der neuronale Signale in Muskelkraft umgesetzt werden. Das sorgt für eine realistische Darstellung der Kraftentwicklung – von der Signalübertragung bis zur Bewegungsausführung.

Aktive Bewegungsgenerierung: Soll EMMA agieren oder reagieren?

EMMA berechnet dynamische Bewegungen mithilfe moderner Optimierungsmethoden. Dabei minimiert die Software eine Kostenfunktion und erfüllt gleichzeitig alle von den Nutzer:innen definierten Rand- und Zwangsbedingungen. Die Aktivierung des Muskelmodells wird automatisch mitberechnet – und kann im Nachgang auf Überlastungen überprüft werden.

Ob ergonomische Bewertung, biomechanische Analyse oder Simulation komplexer Bewegungsabläufe – EMMA bietet zahlreiche Funktionen, um unterschiedlichste Bewegungsaufgaben zu erstellen und zu erforschen. Eigene Modelle, zum Beispiel für Objekte oder Umgebungen, mit denen das Menschmodell interagieren soll, lassen sich einfach als Mehrkörpersystem integrieren. Ein paar Beispiele sind im Video zu finden. 

Zwei Ansätze für die Bewegungsvorhersage

Für die Vorhersage menschlicher Bewegung stellt EMMA zwei methodische Ansätze bereit:

1. Vorausschauendes Verhalten: Optimal handeln 
   In dieser Variante kennt das Menschmodell alle zukünftigen Ereignisse oder es gibt keine unvorhergesehenen Störungen. Die Software berechnet eine optimale Bewegung auf Basis einer definierten Kostenfunktion – etwa minimalem Kraftaufwand oder kürzester Ausführungsdauer. Diese Methode eignet sich besonders gut für trainierte Bewegungsabläufe wie Arbeitsprozesse oder sportliche Routinen.
2. Reagierendes Verhalten: Auf Störungen flexibel reagieren 
   Wenn äußere Einflüsse wie unerwartete Kräfte oder Beschleunigungen auftreten, muss das Menschmodell darauf reagieren. In diesem Fall verwendet EMMA ein Verfahren, das die Bewegungsplanung vom zukünftigen Zustand des Systems entkoppelt. So entsteht ein reagierendes, adaptives Verhalten – etwa bei der Simulation von Insass:innen in Fahrzeugen oder im Umgang mit unbekannten technischen Systemen.